無線設(shè)備中CMOS頻率源的應(yīng)用趨勢(shì)

自從60年前的數(shù)字革命開始，電子行業(yè)已經(jīng)發(fā)生了許多變化，但有一種情況卻一直未變：每個(gè)電子系統(tǒng)中的同步數(shù)據(jù)傳輸參考頻率由石英晶體和陶瓷振蕩器產(chǎn)生。然而，最近幾年，這個(gè)數(shù)十億美元的市場(chǎng)發(fā)生了技術(shù)變革，包括像微機(jī)電振蕩器、精密壓電諧振器和單片標(biāo)準(zhǔn)CMOS器件等。

CMOS振蕩器與石英晶體的特性比較
石英晶體振蕩器由于良好的穩(wěn)定性、低相位噪聲和低抖動(dòng)、易于使用，以及有大量供貨廠商而占據(jù)最流行頻率源的位置。但是，在其他方案中，CMOS技術(shù)提供一個(gè)優(yōu)化的平臺(tái)，可以開發(fā)可行的、成本低廉和高性能的石英晶體替代產(chǎn)品。

● 對(duì)于消費(fèi)類、計(jì)算機(jī)和存儲(chǔ)應(yīng)用，CMOS振蕩器沒有最高頻率的限制，它的頻率范圍從kHz到幾百M(fèi)Hz，因此在某些應(yīng)用中就可以避免使用帶有鎖相環(huán)（PLL）的頻率合成器。

● 單管芯的CMOS頻率源可以被封裝在當(dāng)前能夠獲得的最薄IC封裝中，可以滿足消費(fèi)電子產(chǎn)品對(duì)外形尺寸的嚴(yán)格要求。

● CMOS技術(shù)被廣泛應(yīng)用在當(dāng)今市場(chǎng)上的各種產(chǎn)品中，它有很好的可靠性和批量成本優(yōu)勢(shì)。

● CMOS頻率源完全是單片集成電路，它們不依賴任何機(jī)械、壓電，或非集成的共震元件，因此很容易集成到其他電路中。例如，集成到USB物理層芯片中就不再需要石英晶體了，但仍然能夠保持良好的誤碼率，或者集成到高速SATA收發(fā)器中用于節(jié)省PCB占板面積，以及不需要石英參考源的多頻率時(shí)鐘集成電路中。
CMOS頻率參考源的最初市場(chǎng)主要是USB和SATA設(shè)備，在無線應(yīng)用中也有比較大的增長(zhǎng)。

從移動(dòng)電話到微波爐、無線技術(shù)已經(jīng)滲透到了現(xiàn)代生活的各個(gè)方面。無線通信標(biāo)準(zhǔn)在許多方面不同于有線通信，包括調(diào)制方案，以及通過相對(duì)較低功耗來長(zhǎng)距離傳輸數(shù)據(jù)的更高載波頻率。在美國(guó)，載波頻率的頻譜范圍位于政府分配的頻率范圍之內(nèi)，從9kHz～300GHz不等。

無線系統(tǒng)的一個(gè)主要組成部件是頻率源，它通常是石英晶體、聲表面波濾波器（SAW），或者CMOS振蕩器。在發(fā)送側(cè)，振蕩器可以產(chǎn)生或調(diào)制載波頻率，而在接收側(cè)，它可以幫助恢復(fù)接收數(shù)據(jù)。絕大多數(shù)的長(zhǎng)距離和（或）高帶寬、高數(shù)據(jù)速率無線通信協(xié)議需要低噪聲振蕩器，并以10-6（百萬分之一）為單位來衡量它們的頻率穩(wěn)定性。振蕩器的性能影響系統(tǒng)的同步精度、分布在特定頻譜空間的通道數(shù)，以及接收器的動(dòng)態(tài)范圍。

現(xiàn)今的石英晶體振蕩器具有本征高品質(zhì)因數(shù)（Q），是高性能無線通信鏈路的理想?yún)⒖荚?。它們產(chǎn)生的頻率信號(hào)具有極好的近端相位噪聲。采用高質(zhì)量的石英晶體振蕩器在100Hz偏移時(shí)可以產(chǎn)生-100～-120dBc/Hz或更低的相位噪聲。

而CMOS振蕩器有極好的遠(yuǎn)端相位噪聲（Far-from-carrier Phase Noise），1MHz 偏移時(shí)相位噪聲小于-140dBc/Hz，它們的近端相位噪聲比石英晶體還差。因此，CMOS振蕩器不適合GSM/CDMA移動(dòng)通信、GPS、Wi-Fi和其他高性能無線通信協(xié)議。

但也有許多其他的無線通信協(xié)議，如在面向短距離和低帶寬通信的ISM（工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療頻段）頻段應(yīng)用中，CMOS振蕩器的頻率穩(wěn)定性能是足夠的。同時(shí)，CMOS技術(shù)在某些方面比石英晶體具有更大的優(yōu)勢(shì)。

CMOS振蕩器的應(yīng)用
我們每天所接觸到的許多應(yīng)用，從微波爐到車庫(kù)門的自動(dòng)開啟和關(guān)閉，都利用了無線頻譜中的多個(gè)ISM頻段。最典型的例子是汽車胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（TPMS），用于監(jiān)視輪胎的氣壓并將測(cè)量值傳輸給車載計(jì)算機(jī)，CMOS振蕩器可以改善這種應(yīng)用的總體性能。

圖1 汽車胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用CMOS振蕩器提高了整體性能